G蛋白功能

5.2 G蛋白偶联受体及信号转导
细胞质膜上最多，也是最重要的信号转导系统是由G-蛋白介导的信号转导。

这种信号转导系统有两个重要的特点:①系统由三个部分组成:7次跨膜的受体、G蛋白和效应物(酶); ②产生第二信使。

5.2.1 G蛋白的结构与功能
G蛋白，即GTP结合蛋白(GTP binding protein)，参与细胞的多种生命活动,如细胞通讯、核糖体与内质网的结合、小泡运输、微管组装、蛋白质合成等。

异源三体G蛋白(heterotrimeric G protein)的结构组成
G蛋白偶联系统中的G蛋白是由三个不同亚基组成的异源三体,三个亚基分别是α、β、γ, 总相对分子质量在100kDa左右。

G蛋白有多种调节功能, 包括Gs和Gi对腺苷酸环化酶的激活和抑制、对cGMP磷酸二酯酶的活性调节、对磷酯酶C的调节、对细胞内Ca2+浓度的调节等，此外还参与门控离子通道的调节。

G蛋白循环(G protein cycle)
在G蛋白偶联信号转导系统中，G蛋白能够以两种不同的状态结合在细胞质膜上。

一种是静息状态，即三体状态; 另一种是活性状态，G蛋白由非活性状态转变成活性状态，尔后又恢复到非活性状态的过程称为G蛋白循环(G protein cycle)。

G蛋白的这种活性转变与三种蛋白相关联:
● GTPase激活蛋白(GTPase-activating protein，GAPs)
● 鸟苷交换因子(guanine nucleotide-exchange factors，GEFs)
● 鸟苷解离抑制蛋白(guanine nucleotide-dissociation inhibitors，GDIs)
G蛋白与GDP结合时是非活性状态，如果无活性的G蛋白与GDI结合，则处于被抑制状态(无活性)，如果G蛋白与GEF相互作用，将GDP换成了GTP，G蛋白则被激活，可启动下游反应。

处于活性状态的G蛋白与GTPase激活蛋白(GAP)相互作用，会激活GTPase，使GTP水解成GDP，此时的G蛋白又恢复到无活性状态。

G蛋白的信号转导作用
在G蛋白偶联受体的信号转导中G蛋白起重要作用，它能够将受体接受的信号传递给效应物，产生第二信使，进行信号转导，某些G蛋白可直接控制离子通道的通透性。

一个典型的例子是通过神经递质乙酰胆碱调节心肌收缩。

(a)神经递质乙酰胆碱与心肌细胞的膜受体结合，使得G蛋白的α亚基与β、γ亚基分开;(b)激活的β、γ亚基复合物同K+离子通道结合并将K+离子通道打开;(c)α亚基中的GTP水解，导致α亚基与β、γ亚基重新结合，使G蛋白处于非活性状态，使K+离子通道关闭。

5.2.2 PKA系统(protein kinase A system，PKA)的信号转导机理
该系统的信号分子作用于膜受体后，激活G蛋白偶联系统，产生cAMP后，激活蛋白激酶A进行信号的放大，故将此途径称为PKA信号转导系统。

G蛋白偶联系统由三部分组成:表面受体、G蛋白和效应物,由于这三种复合物都是结合在膜上,故此将它们称为膜结合机器(membrane-bound machinery)。

●受体G蛋白偶联受体都是7次跨膜的膜整合蛋白，包括肾上腺素(β型)受体、胰高血糖素受体、促甲状腺素受体、后叶加压素受体、促黄体生长素受体、促卵泡激素受体等。

G蛋白
● 效应物(effector) 所谓效应物是指直接产生效应的物质,通常是酶,如腺苷酸环化酶、磷酸脂酶等,它们是信号转导途径中的催化单位(表5-3)。

■第二信使:cAMP
●腺苷酸环化酶(adenylate cyclase，AC)
腺苷酸环化酶是膜整合蛋白，能够将ATP转变成cAMP(图5-26)，引起细胞的信号应答，故此，AC是G蛋白偶联系统中的效应物。

很多不同类型的细胞都是通过cAMP浓度的变化引起细胞的应答(表5-4)，在无脊椎动物中cAMP也可作为第二信使起作用。

■G蛋白偶联受体跨膜信号转导机理
在G蛋白偶联系统中，G蛋白的作用主要是将信号从受体传递给效应物，它包括了三个主要的激发过程(图5-27):
● G蛋白被受体激活
● G蛋白将信号向效应物转移
● 应答的终结当与Gα结合的GTP被水解成GDP时，信号转导就会终止。

因此，GTP水解的速率在某种程度上决定着信号转导的强度和时间的长短。

Gα亚基具有较弱的GTPase的活性，能够缓慢地水解GTP，进行自我失活.失活可通过与GAP的作用而加速。

一旦GTP水解成GDP，Gα-GDP能够重新与Gβγ复合物恢复结合，形成非活性的三体复合物。

■激活型和抑制型cAMP信号途径
● 组成和作用效果
在某些细胞中，G蛋白不仅可激活酶活性（又称向上调节，up regulation)，也可抑制其作用的酶活性（向下调节，down regulation)，因此有激活型和抑制型两种不同的系统(图5-28)。

● 毒素对G蛋白的核糖化作用
霍乱弧菌(Vibrio cholerae)感染人体后，产生一种毒素:霍乱毒素(cholera to xin，一种毒蛋白)，具有催化作用，可将NAD+上的ADP-核糖基团转移到Gs α亚基上(图5-29)，使G蛋白核糖化(ADP-ribosylation)，这样抑制了α亚基的GTPase活性，从而抑制了GTP的水解，使Gs一直处于激活状态。

其结果使腺苷酸环化酶处于永久活性状态，cAMP的形成失去控制，引起Na+和水分泌到肠腔导致严重腹泄。

百日咳则是由百日咳杆菌(Bordetella pertussis)所引起，该菌产生的百日咳毒素(pertussis toxin)同样使G蛋白的α亚基ADP核糖化。

与霍乱毒素作用机理不同的是，百日咳毒素使Gi蛋白α亚基进行ADP核糖化，阻止了Gi蛋白
α亚基上的GDP被GTP取代，使其失去对腺苷酸环化酶的抑制作用，其结果也是使cAMP的浓度增加。

由于百日咳是经呼吸道感染的，被感染的细胞与呼吸系统相关，这些细胞中cAMP浓度的提高，促使大量的体液分泌进入肺，引起严重的咳嗽。

■蛋白激酶A与底物磷酸化
● 蛋白激酶A (protein kinase A，PKA)
又称为依赖于cAMP的蛋白激酶A (cyclic-AMP dependent protein kinas e A)，是由四个亚基组成的四聚体(图5-30)。

一般认为，真核细胞内几乎所有的cAMP的作用都是通过活化PKA，从而使其底物蛋白发生磷酸化而实现的。

cAMP与PKA的调节亚基结合，使PKA的调节亚基与催化亚基分开，被激活的催化亚基可使底物磷酸化。

● 磷酸化与去磷酸化
磷酸化和去磷酸化是信号转导中最简便而又十分快捷的反应方式,一般是通过磷酸化而激活,去磷酸化而失活,磷酸成为蛋白(酶)的活性标记。

例如，磷酸酶-1的激活是受一种称为抑制剂-1(inhibitor-1)的蛋白控制,而这种抑制蛋白又是通过磷酸化和去磷酸化进行活性与非活性状态的转换(图5-31)。

■蛋白激酶A的细胞质功能与细胞核功能
● 蛋白激酶A被cAMP激活后能够使多种底物磷酸化，引起多种反应(表5-5)。

● PKA既可直接修饰细胞质中的底物蛋白，使之磷酸化后立即起作用，也可以进入细胞核作用于基因表达的调控蛋白(如CREB),启动基因的表达(图5-32)。

● 蛋白激酶A的细胞质功能:糖原分解
在脊椎动物中,糖原的分解受一些激素的控制,如肾上腺素和胰高血糖素中的任何一种激素同细胞膜受体结合,都会激活磷酸化酶,使糖原分解成1-磷酸葡萄糖,然后进一步分解为6-磷酸葡萄糖、葡萄糖后进入血液(图5-33)。

● 蛋白激酶A的细胞核功能:调节基因表达
被cAMP激活的PKA,大多数在胞质溶胶中激活一些细胞质靶蛋白,也有少数被激活的PKA可以转移到细胞核中磷酸化某些重要的核蛋白,其中多数是被称为C REB(cAMP response element binding,cAMP效应元件结合因子)的转录因子(图5-33)。

■cAMP信号的终止
该途径的信号解除有两种方式:
● 通过cAMP磷酸二酯酶(cAMP phosphodiesterase,PDE)将cAMP的环破坏,形成5＇-AMP(图5-34)。

● 通过抑制型的信号作用于Ri,然后通过Gi起作用。

Gi蛋白被激活后，GTP同Gi蛋白的α亚基结合，Gi的α亚基与Giβγ复合物分离，并在细胞膜的胞质面进行扩散；当Gi的α亚基与腺苷酸环化酶结合后则抑制其活性；而Giβγ复合物则可同激活型的Gsα作用，阻止它去激活腺苷酸环化酶。

5.2.3 PKC系统(protein kinase C system)
在这一信号转导途径中，膜受体与其相应的第一信使分子结合后，激活膜上的G q蛋白(一种G蛋白)，然后由Gq蛋白激活磷酸酯酶Cβ (phospholipase Cβ，PLC)，将膜上的脂酰肌醇4，5-二磷酸(phosphatidylinositol biphosphat e，PIP2)分解为两个细胞内的第二信使: DAG和IP3，最后通过激活蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)，引起级联反应，进行细胞的应答。

该通路也称IP3、DAG、Ca2+信号通路（图5-35）。

静息状态时，G蛋白的α亚基上结合的是GDP，所以没有活性，磷脂酶C也是处于非活性状态。

第二信使IP3/DAG还是以前体PIP2存在。

内质网上的Ca2 +离子配体闸门通道是关闭的，蛋白激酶C也是以可溶的非活性状态存在于细胞质中。

■系统组成与信号分子
● 系统组成
由三个成员组成:受体、G蛋白和效应物。

Gq蛋白也是异源三体,其α亚基上具有GTP/GDP结合位点,作用方式与cAMP系统中的G蛋白完全相同。

该系统的效应物是磷酸肌醇特异的磷脂酶C-β(phosphatidylinos itol-specific phosp holipase C-β, PI-PLCβ),此处的β表示一种异构体。

● 信号分子
与该系统受体结合的信号分子有各种激素、神经递质和一些局部介质（表5-6）。

■第二信使的产生
该途径有有三个第二信使:IP3、DAG、Ca2+。

产生过程包括磷脂酶C的激活、IP3/DAG的生成、Ca2+的释放。

● 磷脂酶C-β的激活磷脂酶C-β相当于cAMP系统中的腺苷酸环化酶,也是膜整合蛋白,它的活性受Gq蛋白调节。

当信号分子识别并同受体结合后，激活Gq 蛋白的亚基。

激活的Gq-α亚基通过扩散与磷脂酶C-β接触，并将磷脂酶C-β激活。

● 第二信使IP3/DAG的生成被激活的磷脂酶C-β水解质膜上的4，5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)，产生三磷酸肌醇(inositol 1，4，5-triphosphate，IP3)和二酰甘油(diacylglycerol，DAG) (图5-36)。

● IP3 启动第二信使Ca2+的释放由PIP2水解后产生的IP3是水溶性的小分子，它可以离开质膜并迅速在胞质溶胶中扩散。

IP3同内质网膜上专一的IP3受体(IP3 receptor)结合，使IP3-门控Ca2+ 通道打开，使Ca2+ 从内质网中释放出来。

■蛋白激酶C的激活
蛋白激酶C的激活涉及一系列复杂的反应过程，是三种第二信使共同作用的结果。

PKC信号转导过程总结于图5-37。

■蛋白激酶C的作用
蛋白激酶C是一种细胞质酶,在未受刺激的细胞中,PKC主要分布在细胞质中,
呈非活性构象。

一旦有第二信使的存在,PKC将成为膜结合的酶，它能激活细胞质中的酶,参与生化反应的调控, 同时也能作用于细胞核中的转录因子, 参与基因表达的调控, 是一种多功能的酶。

● 对糖代谢的制控
在肝细胞中, 蛋白激酶C与蛋白激酶A协作磷酸化糖原合成酶，抑制葡萄糖聚合酶(glucose-polymerizing enzyme)的活性,促进糖原代谢(图5-38)。

cAMP介导的促进糖原分解、抑制糖原合成作用是由胰高血糖素受体和β肾上腺素受体结合了相应激素所引起;而IP3、DAG和Ca2+介导的促进糖原分解和抑制糖原合成的是由α肾上腺受体结合肾上腺素所引起。

cAMP激活蛋白激酶A，而IP3、DAG和Ca2+ 激活蛋白激酶C。

● 对细胞分化的控制
肌细胞生成素是一种转录因子，在肌细胞分化中起关键作用。

在成肌细胞(myo blast)中，蛋白激酶C可使肌细胞生成素磷酸化，抑制了肌细胞生成素与DN A结合的能力，因而阻止了细胞分化为肌纤维。

● 参与基因表达调控
蛋白激酶C至少可通过两种途径参与基因表达的控制(图5-39)。

一种途径是蛋白激酶激活一个磷酸化的级联系统，使MAP蛋白激酶磷酸化，磷酸化的MAP蛋白激酶将基因调节蛋白Elk-1磷酸化，使之激活。

激活了Elk-1与一个短的DNA序列(称为血清反应元件，SRE)结合，然后与另一个因子(血清反应因子，SRF)共同调节基因表达。

另一种途径是蛋白激酶磷酸化并激活抑制蛋白Iκ-B，释放基因调节蛋白NF-κ-B，使之进入细胞核激活特定基因的转录。

● 此外，有人认为PKC能够催化未被其他激酶催化的蛋白，如催化与分泌和增殖有关的蛋白磷酸化。

还可以活化Na+-K+交换系统、使细胞内H+减少、提高细胞质中的pH，还可以提高Na+/K+泵的运转等。

蛋白激酶C在细胞的生长、分化、细胞代谢以及转录激活等方面具有非常重要的作用(表5-7)。

表5-7 由蛋白激酶C介导的某些反应
■第二信使Ca2+(calcium ions)的作用
由IP3动员释放到细胞内的Ca2+ 除了参与蛋白激酶C的激活以外，在细胞的生命活动中还有许多重要作用，包括细胞分裂、分泌活动、内吞作用、受精、突触传递、代谢以及细胞运动。

● 细胞中Ca2+浓度及其控制
在静息状态的细胞中，Ca2+浓度维持在非常低的水平，通常只有10-7M。

但在细胞外和某些膜结合细胞器，如ER和植物液泡的腔中Ca2+ 浓度比胞质溶胶中要高10，000倍。

细胞质中的低Ca2+浓度是通过各种通道和运输泵控制的(图5-40)。

细胞质膜中的Ca2+通道和内质网膜中的IP3及ryanodine受体Ca2+通道的打开可使胞质溶胶中的Ca2+浓度升高;细胞质膜中Ca2+泵、内质网膜中的C a2+泵、细胞质膜中的Na+-Ca2+交换泵，以及线粒体中的Ca2+泵降低胞质溶胶中的Ca2+浓度。

● 钙调蛋白(calmodulin)
一个钙调蛋白可以结合4个Ca2+。

Ca2+同钙调蛋白结合形成钙-钙调蛋白复合物(calcium-calmodulin complex)，就会引起钙调蛋白构型的变化，增强了钙调蛋白与许多效应物结合的亲和力(图5-41)。

● C a2+-钙调蛋白复合物的信号放大作用
在不同的细胞中，Ca2+-钙调蛋白复合物可以同CaM-蛋白激酶、cAMP磷酸二酯酶、以及质膜中的Ca2+运输蛋白结合，将它们激活，进行信号的放大(图5 -42)。

■植物细胞中Ca2+的调节作用
在植物细胞中Ca2+也是重要的第二信使。

在光、压力、引力以及各种植物激素的刺激下，植物细胞中的Ca2+浓度发生急剧变化。

在静息状态下，植物细胞主要是通过质膜和液泡膜中的Ca2+运输泵维持胞质溶胶中的低Ca2+浓度。

植物叶片中气孔直径大小的调节主要是通过Ca2+的第二信使作用调控的(图5-43)。

■ IP3/DAG/Ca2+信号的终止
如同cAMP引起的信号转导，磷脂肌醇和Ca2+离子的第二信使作用也必须迅速解除，使细胞重新回到静息状态。

● DAG信号的解除
DAG只是由PIP2水解得到的暂时性产物, 寿命只有几秒钟, 靠两种方式进行降解:①被DAG磷酸激酶磷酸化,生成磷脂酸(PA),随后PA被CTP磷酸化为CMP-磷脂酸,再与肌醇作用合成磷脂肌醇(PI)。

②DAG被DAG酯酶水解生成单脂酰甘油,再进一步水解成游离的多不饱和脂肪酸和花生四烯酸甘油,花生四烯酸甘油再被氧化成许多生物活性代谢物,如前列腺素、白三烯等。

从细胞中释放出来的这些生物活性代谢物可作用于自身或邻近细胞上的受体,引起细胞应答。

● IP3信号的解除有两种途径终止IP3的信号作用(图5-44)。

● Ca2+信号的解除
Ca2+信号的解除主要是通过降低胞质溶胶中的Ca2+浓度。

由IP3磷酸化生成的四磷酸肌醇参与打开细胞质膜上的Ca2+通道，让胞外的Ca2+(10-3M)进入细胞内，使细胞质中的Ca2+浓度
较为持久地升高。

胞内Ca2+浓度持久升高，会使钙调蛋白活化，活化的钙调蛋白与膜(质膜一内质网膜)上的Ca2+-ATP酶结合，提高它对Ca2+的亲和力，并使酶的活力提高6～7倍，提高转运钙的能力。

通过将胞质溶胶中的Ca2+迅速泵到细胞外以及泵进内质网腔中，从而使胞质中的Ca2+浓度迅速恢复到基态水平(10-7M)，并使激活的CaM-蛋白激酶复合物解离，从而失去活性，最终使细胞恢复到静息状态。